DE10062073A1 - Unipolar transverse flux - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Unipolar- Transversalflußmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a unipolar Transverse flux machine according to the preamble of claim 1.
Eine solche, in der nicht vorveröffentlichten DE 100 39 466.3 vorgeschlagene Unipolar-Transversalflußmaschine hat den Vorteil einer einfachen Konstruktion in Modulbauweise, wobei mit zunehmender Zahl der aus jeweils einem Statorinodul und einem Rotormodul sich zusammensetzenden Moduleinheiten sich der Rundlauf der Maschine verbessert. Bei ein- und zweisträngigen Maschinen, also mit einer oder zwei Moduleinheiten, zeigt der Drehmomentverlauf eine erhebliche Welligkeit, die sog. Drehmomentrippel.Such, in the unpublished DE 100 39 466.3 proposed unipolar transverse flux machine has the Advantage of a simple construction in modular construction, whereby with increasing number of each from a stator module and a rotor module composed of module units the concentricity of the machine is improved. At one and two-strand machines, i.e. with one or two Module units, the torque curve shows a significant Ripple, the so-called torque ripple.
Bei einem Mikroschrittschaltmotor mit Scheibenläufer (US 4 629 916) ist es bekannt, durch Verschieben der Position von symmetrischen Polgruppen den Oberwellengehalt bezüglich bestimmter Oberwellen zu verringern bzw. letztere vollständig zu unterdrücken. Der Betrag α der Verschiebung in elektrischen Graden bestimmt, welche der Oberwellen oder Harmonischen unterdrückt wird und gehorcht der Beziehung α = π/ν, wobei ν die Ordnungszahl der unterdrückten Harmonischen ist.For a micro-stepper motor with a disc rotor (US 4,629,916) it is known by shifting the position of symmetrical pole groups with respect to the harmonic content reduce certain harmonics or the latter completely to suppress. The amount α of the shift in electrical degrees determines which of the harmonics or Harmonics is suppressed and obeys the relationship α = π / ν, where ν is the atomic number of the suppressed Is harmonic.
Bei einem bekannten, gleichen Mikroschrittschaltmotor (DE 37 13 148 A1) sind zunächst die radialen Mittellinien der Statorpole um 360 elektrische Grad voneinander beabstandet, wodurch der beste Wirkungsgrad erzielt wird. Zugleich erhält man dadurch aber auch eine Maximierung des von Oberwellen oder Oberschwingungen oder Harmonischen bedingten Drehmomentanteils. Um den Oberwellengehalt zu reduzieren werden nunmehr die Statorpole einzeln und um verschiedene Beträge gegen ihre durch die Polteilung festgelegten Mittellinien versetzt, wobei der Effekt der Versetzung für jede einzelne Position berechnet wird, und zwar in seiner Auswirkung auf das Ausgangsdrehmoment, d. h. auf die Größe des resultierenden Grundwellen-Drehmoments sowie des Anteils an Oberwellen.In a known, same micro-stepping motor (DE 37 13 148 A1) are initially the radial center lines of the Stator poles spaced 360 electrical degrees apart, whereby the best efficiency is achieved. Received at the same time it also maximizes harmonics or harmonics or harmonics Torque component. To reduce the harmonic content are now the stator poles individually and by different Amounts against their as determined by the pole division Center lines offset, the effect of the offset for every single position is calculated, in its Impact on output torque, i. H. on the size the resulting fundamental shaft torque and the proportion on harmonics.
Die erfindungsgemäße Unipolar-Transversalflußmaschine hat den Vorteil, daß durch die symmetrische Verschiebung der Statorpolgruppen gemäß Anspruch 1 sowie durch die unsymmetrische Verschiebung von einzelnen Statorpolpaaren, die jeweils einem Magnetkreis zugehörig sind, gemäß Anspruch 3 Oberwellenanteile im Drehmoment weitgehend reduziert und dadurch auch bei einer Unipolar- Transversalflußmaschine mit nur einer oder zwei Moduleinheiten ein recht guter Rundlauf erreicht wird. Während die symmetrische Verschiebung der Statorpolgruppen eine Statorpolzahl erfordert, die der Beziehung 2 n mit n als ganze Zahl genügt, ist die unsymmetrische Verschiebung der Statorpolpaare an eine nur geradzahlige Statorpolzahl gebunden.The unipolar transverse flux machine according to the invention has the advantage that, due to the symmetrical displacement of the stator pole groups according to claim 1 and the asymmetrical displacement of individual stator pole pairs, each of which belongs to a magnetic circuit, harmonic components in torque are largely reduced and thus also with a unipolar Transverse flux machine with only one or two module units a fairly good concentricity is achieved. While the symmetrical displacement of the stator pole groups requires a stator pole number that satisfies the relationship 2 n with n as an integer, the asymmetrical displacement of the stator pole pairs is tied to an even-numbered stator pole number.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Unipolar-Transversalflußmaschine möglich.By the measures listed in the other claims are advantageous developments and improvements in Claim 1 specified unipolar transverse flux machine possible.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated in the drawing Exemplary embodiments in the following description explained. Show it:
Fig. 1 ausschnittweise eine perspektivische Ansicht einer zweisträngigen, 32-poligen Unipolar- Transversalflußmaschine, teilweise schematisiert, Fig. 1 a detail of a perspective view of a two-strand, 32-pin unipolar transverse flux machine, partially in schematic form,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Moduleinheit der Unipolar- Transversalflußmaschine gemäß Fig. 1, Fig. 2 is a schematic plan view of a modular unit of the unipolar transverse flux machine according to Fig. 1,
Fig. 3 ein Anordnungsschema der Statorpolgruppen im Statormodul in Fig. 2 zur Erläuterung deren Verschiebung, Fig. 3 shows an arrangement scheme of the stator pole in the stator module in Fig. 2 for explaining the displacement thereof,
Fig. 4 ein Diagramm des Drehmomentverlaufs der in der Maschine gemäß Fig. 3 gebildeten vier Statorgruppen über einen elektrischen Winkel von 360°, Fig. 4 is a diagram of the torque curve of the formed in the machine of FIG. 3, four stator groups via an electrical angle of 360 °,
Fig. 5 ein Diagramm des resultierenden Gesamtmoments im Vergleich zum Diagramm einer Maschine bei unverschobenen Statorpolgruppen, Fig. 5 is a diagram of the resulting total moment in comparison to the diagram of a machine with unshifted stator pole,
Fig. 6 und 7 jeweils ein Diagram eines der Amplitudenspektren der Drehmomente in Fig. 5, FIGS. 6 and 7 are each a diagram of the amplitude spectra of the torques in Fig. 5,
Fig. 8 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 2 zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Unipolar- Transversalflußmaschine, Fig. 8 shows the same illustration as in Fig. 2 for explaining another embodiment of the unipolar transverse flux machine,
Fig. 9 ein Anordnungsschema der Statorpole im Statormodul gemäß Fig. 8 zur Erläuterung der Verschiebung der Statorpolpaare, Fig. 9 is a layout of stator poles in the stator module according to Fig. 8 for explaining the displacement of the stator pole pairs,
Fig. 10 ein Diagramm der Drehmomentverläufe von drei Statorgruppen von insgesamt sechzehn Statorpolgruppen-Paaren, Fig. 10 is a graph of torque curves of three stator groups of a total of sixteen stator pole pairs,
Fig. 11 ein Diagramm des resultierenden Gesamtmoments aus Fig. 10 im Vergleich zum Drehmoment bei nicht verschobenen Statorpolpaaren, Fig. 11 is a diagram of the resulting total moment of Fig. 10 compared to the torque at unshifted stator pole pairs,
Fig. 12 ein Diagramm des Amplitudenspektrums des resultierenden Gesamtmoments in Fig. 11. FIG. 12 shows a diagram of the amplitude spectrum of the resulting total torque in FIG. 11.
In Fig. 1 ist ausschnittweise eine zweisträngige, 32-polige Unipolar-Transversalflußmaschine perspektivisch dargestellt. Sie weist ein Maschinengehäuse 10 mit einem daran gehaltenen Stator 11 sowie einen im Stator 11 umlaufenden, koaxialen Rotor 12 auf, der drehfest auf einer im Maschinengehäuse 10 gelagerten Rotorwelle 13 sitzt. Der Rotor 12 weist zwei Rotormodule 15 und der Stator 11 eine gleiche Anzahl von Statormodulen 14 auf. Die Rotormodule 15 sind axial hintereinander unmittelbar auf die Rotorwelle 13 drehfest aufgesetzt, und die Statormodule 14 sind axial hintereinander in radialer Ausrichtung zum zugehörigen Rotormodul 15 am Maschinengehäuse 10 befestigt. Die hier zweisträngig ausgeführte Unipolar-Transversalflußmaschine kann in einfacher Weise einsträngig oder drei- oder mehrsträngig konzipiert werden, indem jeweils eine aus Statormodul 14 und Rotormodul 15 bestehende Moduleinheit entfernt oder hinzugefügt wird.In Fig. 1, a two-strand, 32-pole unipolar transverse flux machine is shown in perspective. It has a machine housing 10 with a stator 11 held thereon and a coaxial rotor 12 which rotates in the stator 11 and which is non-rotatably seated on a rotor shaft 13 mounted in the machine housing 10 . The rotor 12 has two rotor modules 15 and the stator 11 has the same number of stator modules 14 . The rotor modules 15 are mounted axially one behind the other directly on the rotor shaft 13 in a rotationally fixed manner, and the stator modules 14 are fastened axially one behind the other in a radial alignment with the associated rotor module 15 on the machine housing 10 . The unipolar transverse flux machine designed here in two strands can be designed in a simple manner with one or three or more strands by removing or adding a module unit consisting of stator module 14 and rotor module 15 .
Das Rotormodul 15 besteht aus zwei koaxialen, gezahnten, ferromagnetischen Rotorringen 16, 17, die auf der Rotorwelle 13 drehfest sitzen und zwischen sich einen Permanentmagnetring 18 einspannen, der in axialer Richtung, also in Richtung der Rotor- oder Statorachse 19 unipolar magnetisiert ist. Jeder Rotorring 16, 17 ist an seinem von der Rotorachse 19 abgekehrten Außenumfang mit konstanter Zahnteilung gezahnt, so daß die durch jeweils eine Zahnlücke 21 voneinander getrennten Zähne 22 der sich ergebenden Zahnreihen einen gleichen Drehwinkelabstand voneinander haben. Die Zähne 22 am Rotorring 16 und am Rotorring 17 fluchten in Axialrichtung miteinander. Die Rotorringe 16, 17 mit den daran einstückig angeformten Zähnen 22 sind lamelliert und werden bevorzugt aus gleichen Blechstanzschnitten, die in Achsrichtung aneinanderliegen, zusammengesetzt.The rotor module 15 consists of two coaxial toothed ferromagnetic rotor rings 16, 17, which sit rotatably on the rotor shaft 13 and clamp between them a permanent magnet ring 18 is magnetized unipolar in the axial direction, ie in the direction of the rotor or stator 19th Each rotor ring 16 , 17 is toothed on its outer circumference facing away from the rotor axis 19 with constant tooth pitch, so that the teeth 22 of the resulting tooth rows, which are separated from each other by a tooth gap 21, have the same angular distance from one another. The teeth 22 on the rotor ring 16 and on the rotor ring 17 are aligned with one another in the axial direction. The rotor rings 16 , 17 with the teeth 22 formed thereon in one piece are laminated and are preferably composed of the same sheet-metal punched cuts which abut one another in the axial direction.
Das das Rotormodul 15 mit Radialabstand unter Belassung von Luftspalten konzentrisch umschließende Statormodul 14 weist eine koaxial zur Rotorachse 19 angeordnete Ringspule 23 sowie längs der Ringspule 23 übergreifende U-förmige, jochartige Statorpole 24, 25 auf. Über einen Statorpol 24, einen Statorpol 25 und einen Zahn 22 des Rotors 12 schließt sich jeweils ein magnetischer Kreis, wobei die Statorpole 24 mit ihren Jochschenkeln die Ringspule 23 übergreifen und die Statorpole 25 mit ihrem Jochsteg in Radialrichtung unterhalb der Ringspule 23 liegen, weshalb die Statorpole 24 lange und die Statorpole 25 kurze Jochschenkel besitzen. Die ebenfalls lamellierten, aus Stanzblechen zu Blechpaketen zusammengesetzten Statorpole 24, 25 sind hier am Maschinengehäuse 10 mit einer der halben Zahnteilung am Rotormodul 15 entsprechenden Polteilung τ festgelegt. Die Statorpole 24, 25 sind dabei so angeordnet, daß jeweils der eine Jochschenkel mit dem einen Rotorring 16 und der andere Jochschenkel mit dem anderen Rotorring 17 des zugeordneten Rotormoduls 12 radial fluchtet, wobei die Polflächen bildenden, freien Stirnseiten der Jochschenkel dem Rotorring 16 bzw. 17 mit radialem Luftspaltabstand gegenüberstehen.The stator module 14 , which concentrically surrounds the rotor module 15 with a radial spacing while leaving air gaps, has an annular coil 23 arranged coaxially to the rotor axis 19 and U-shaped, yoke-like stator poles 24 , 25 which extend over the annular coil 23 . A magnetic circuit closes via a stator pole 24 , a stator pole 25 and a tooth 22 of the rotor 12 , the stator poles 24 with their yoke legs overlapping the ring coil 23 and the stator poles 25 with their yoke web lying radially below the ring coil 23 , which is why 24 long stator poles and 25 short stator poles. The stator poles 24 , 25, which are also laminated and are composed of stamped sheets to form laminated cores, are fixed here on the machine housing 10 with a pole pitch τ corresponding to half the tooth pitch on the rotor module 15 . The stator poles 24 , 25 are arranged such that the one yoke leg with the one rotor ring 16 and the other yoke leg are radially aligned with the other rotor ring 17 of the associated rotor module 12 , the free end faces of the yoke legs forming the pole faces of the rotor ring 16 and 17 face each other with a radial air gap distance.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, sind bei der zweisträngigen Ausführung der Unipolar-Transversalflußmaschine die beiden im Maschinengehäuse 10 axial nebeneinander angeordneten Statormodule 14 der beiden Moduleinheiten um 90 elektrische Grad gegeneinander verdreht, was einer halben Polteilung τ entspricht. Bei der in Fig. 1 dargestellten 32-poligen Ausführung der Maschine beträgt somit der Versatzwinkel in Drehrichtung 5,625° räumlich. Alternativ ist es möglich, die beiden Statormodule 14 in Achsrichtung miteinander fluchtend auszurichten und die auf der Rotorwelle 13 sitzenden Rotormodule 15 um den genannten elektrischen Winkel von 90° bzw. dem räumlichen Winkel von 5, 625° gegeneinander zu verdrehen.As can be seen in FIG. 1, in the two-strand version of the unipolar transverse flux machine, the two stator modules 14 of the two module units arranged axially next to one another in the machine housing 10 are rotated by 90 electrical degrees, which corresponds to half a pole pitch τ. In the 32-pole version of the machine shown in FIG. 1, the offset angle in the direction of rotation is spatially 5.625 °. Alternatively, it is possible to align the two stator modules 14 in alignment with one another in the axial direction and to rotate the rotor modules 15 seated on the rotor shaft 13 by the electrical angle of 90 ° or the spatial angle of 5.625 °.
Zur Verbesserung des Rundlaufs der zweisträngigen Maschine gemäß Fig. 1 sind nunmehr Maßnahmen getroffen, um den Oberwellengehalt des an der Maschine abnehmbaren resultierenden Gesamtdrehmoments, der sich in sog. Drehmomentrippeln äußert, zu reduzieren bzw. unter ein gefordertes Maß zu drücken. Diese Maßnahmen werden folgend anhand einer Moduleinheit, wie sie in Fig. 2 in Draufsicht schematisch dargestellt ist, beschrieben. Die zweite in Fig. 1 zu sehenden Moduleinheit wird dann in gleicher Weise modifiziert.To improve the concentricity of the two-strand machine according to FIG. 1, measures have now been taken to reduce the harmonic content of the resulting total torque that can be removed from the machine, which is expressed in so-called torque ripples, or to suppress it below a required level. These measures are described below using a module unit as schematically shown in plan view in FIG. 2. The second module unit shown in FIG. 1 is then modified in the same way.
Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet ist, wird aus den in jedem Statormodul 14 vorhandenen 2n mit n = 5 vorhandenen Statorpolen 24, 25 eine Mehrzahl von gleichen Statorpolgruppen 131-134 gebildet, die eine gleiche Anzahl von Statorpolen 24, 25 aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind vier Statorpolgruppen 131-134 mit jeweils acht Statorpolen 24, 25 gebildet. Grundsätzlich beträgt die Zahl der Statorpolgruppen k = 2m, wobei m die Anzahl der im Drehmoment unterdrückten Harmonischen ist. Diese k Statorpolgruppen bilden m.k/2 Statorpolgruppen-Paare, wobei jede Statorpolgruppe 131-134 m Paaren zugehörig ist. Die einem Statorpolgruppen-Paar zugehörigen Statorpolgruppen sind um einen elektrischen Winkel α = 180°/ν gegeneinander verschoben wobei ν die Ordnungszahl derjenigen Harmonischen im Drehmoment ist, die unterdrückt werden soll.As indicated schematically in FIG. 2, a plurality of the same stator pole groups 131-134 , which have an equal number of stator poles 24 , 25 , are formed from the 2 n with n = 5 stator poles 24 , 25 present in each stator module 14 . In the exemplary embodiment in FIG. 2, four stator pole groups 131-134 , each with eight stator poles 24 , 25, are formed. Basically, the number of stator pole groups is k = 2 m , where m is the number of harmonics suppressed in torque. These k stator pole groups form mk / 2 stator pole group pairs, each stator pole group being associated with 131-134 m pairs. The stator pole groups belonging to a pair of stator pole groups are shifted from one another by an electrical angle α = 180 ° / ν, where ν is the ordinal number of those harmonics in the torque which are to be suppressed.
In dem in Fig. 2 bis 7 behandelten Ausführungsbeispiel zeigt das Amplitudenspektrum des Drehmoments der unkompensierten Maschine, d. h. der wie in Fig. 1 ausgeführten Maschine, bei der die Statorpolgruppen nicht verschoben sind, sondern alle Statorpole 24, 25 mit der Polteilung τ symmetrisch angeordnet sind, deutliche Amplituden der 3. und 5. Harmonischen, die zu wesentlichen Drehmomentrippeln im resultierenden Drehmoment der Moduleinheit führen. Die ebenfalls vorhandene 2. Harmonische im Drehmoment ist unbeachtlich, da sie durch die Zweisträngigkeit der Maschine und den Versatz der beiden Moduleinheiten um 90 elektrische Grad gegeneinander im Gesamtdrehmoment der Maschine nicht auftreten sollte. Zur Kompensierung der 3. und 5. Harmonischen sind nach dem vorstehend Ausgeführten im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 von den insgesamt vorhandenen zweiunddreißig Statorpolen 24, 25 vier gleiche Statorpolgruppen 131-134 gebildet (m = 2, k = 22 = 4). Wie in Fig. 3 illustriert ist ergeben diese vier Statorpolgruppen 131-134 vier Statorpolgruppen-Paare (m.k/2 = 2.2 = 4) mit den Paarungen: Statorpolgruppe 131 + 132, Statorpolgruppe 133 + 134, Statorpolgruppe 131 + 133 und Statorpolgruppe 132 + 134. In den Statorpolgruppen-Paaren 131, 132 sowie 133, 134 sind die Statorpolgruppen 131 und 132 bzw. 133 und 134 um 36° elektrisch gegeneinander verschoben (ν = 5, α = 180°/ν = 36°), während in den Statorpolgruppen-Paaren 131, 133 und 132, 134 die Statorpolgruppen 131 und 133 bzw. die Statorpolgruppen 132 und 134 um 60° elektrisch gegeneinander verschoben sind (ν = 3, α = 180°/3 = 60°). Damit ergibt sich, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, gegenüber der Statorpolgruppe 131 eine Verschiebung der Statorpolgruppe 132 um 36° elektrisch, der Statorpolgruppe 133 um 60° elektrisch und der Statorpolgruppe 134 um 96° elektrisch.In the exemplary embodiment dealt with in FIGS. 2 to 7, the amplitude spectrum of the torque of the uncompensated machine, ie the machine designed as in FIG. 1, in which the stator pole groups are not shifted, but all stator poles 24 , 25 with the pole pitch τ are arranged symmetrically , clear amplitudes of the 3rd and 5th harmonics, which lead to significant torque ripples in the resulting torque of the module unit. The second harmonic in the torque, which is also present, is irrelevant since it should not occur in the overall torque of the machine due to the double-stranded nature of the machine and the offset of the two module units by 90 electrical degrees to one another. To compensate for the 3rd and 5th harmonics, four identical stator pole groups 131-134 are formed from the thirty-two stator poles 24 , 25 present in total in the exemplary embodiment in FIG. 2 (m = 2, k = 2 2 = 4). As illustrated in FIG. 3, these four stator pole groups 131-134 result in four stator pole group pairs (mk / 2 = 2.2 = 4) with the pairings: stator pole group 131 + 132, stator pole group 133 + 134, stator pole group 131 + 133 and stator pole group 132 + 134 In the stator pole group pairs 131 , 132 and 133 , 134 the stator pole groups 131 and 132 or 133 and 134 are electrically displaced by 36 ° relative to one another (ν = 5, α = 180 ° / ν = 36 °), while in the stator pole groups -Pairs 131 , 133 and 132 , 134 the stator pole groups 131 and 133 or the stator pole groups 132 and 134 are electrically shifted from one another by 60 ° (ν = 3, α = 180 ° / 3 = 60 °). As shown in FIG. 2, this results in a displacement of the stator pole group 132 by 36 ° electrically, the stator pole group 133 by 60 ° electrically and the stator pole group 134 by 96 ° with respect to the stator pole group 131 .
In Fig. 4 ist der Drehmomentverlauf für die vier Statorpolgruppen 131-134 über einen elektrischen Winkel von 360° dargestellt. Dabei zeigt die Kurve a den Drehmomentverlauf für die Statorpolgruppe 131, die Kurve b den Drehmomentverlauf für die Statorpolgruppe 132, die Kurve c den Drehmomentverlauf für die Statorpolgruppe 133 und die Kurve d den Drehmomentverlauf für die Statorpolgruppe 134. In Fig. 11 ist das sich aus der Summation dieser Kurven a, b, c, d ergebende Gesamtmoment der Moduleinheit mit e gekennzeichnet. Im Vergleich hierzu gibt die Kurve f das Gesamtmoment der Moduleinheit bei unverschobenen Statorpolen 24, 25 an. Deutlich ist zu sehen, daß nach der beschriebenen symmetrischen Verschiebung der Statorpolgruppen 131-134 der Drehmomentverlauf nahezu sinusförmig ist, wobei das Drehmoment allerdings um ca. 25% abgenommen hat. Das in Fig. 6 dargestellte Amplitudenspektrum des Drehmoments gemäß Kurve e in Fig. 5 zeigt, daß die bei der unkompensierten Moduleinheit (Fig. 7) noch vorhandenen 3. und 5. Harmonischen nahezu vollständig unterdrückt sind.In FIG. 4, the torque curve for the four stator pole groups 131-134 is shown by an electrical angle of 360 °. Curve a shows the torque curve for the stator pole group 131 , curve b the torque curve for the stator pole group 132 , curve c the torque curve for the stator pole group 133 and curve d the torque curve for the stator pole group 134 . In FIG. 11, the total moment of the module unit resulting from the summation of these curves a, b, c, d is identified by e. In comparison to this, curve f indicates the total torque of the module unit with the stator poles 24 , 25 not shifted. It can clearly be seen that after the described symmetrical displacement of the stator pole groups 131-134, the torque curve is almost sinusoidal, although the torque has decreased by approximately 25%. The amplitude spectrum of the torque shown in FIG. 6 according to curve e in FIG. 5 shows that the 3rd and 5th harmonics still present in the uncompensated module unit ( FIG. 7) are almost completely suppressed.
Sollen beider 32-poligen Unipolar-Transversalflußmaschine drei Harmonische oder Oberschwingungen unterdrückt sein, so sind die zweiunddreißig Statorpole 24, 25 in insgesamt acht Statorpolgruppen mit jeweils vier, um die Polteilung τ zueinander versetzten Statorpole 24, 25 zu unterteilen. Diese acht Statorpolgruppen gehören wechselweise zu insgesamt zwölf Statorpolgruppen-Paaren. Sollen die 3., 5. und beispielsweise die 9. Harmonische im Drehmoment unterdrückt sein, so werden in jeweils vier Statorpolgruppen-Paaren die beiden Statorpolgruppen um 20° (α = 180°/9 = 20°), in vier Statorpolgruppen-Paaren die beiden Statorpolgruppen um 36° und in vier Statorpolgruppen-Paaren die beiden Statorpolgruppen um 60° elektrisch jeweils gegeneinander verschoben.If both harmonics or harmonics are to be suppressed in both 32-pole unipolar transverse flux machines, then the thirty-two stator poles 24 , 25 are divided into a total of eight stator pole groups, each with four stator poles 24 , 25 offset from one another in order to offset the pole pitch τ. These eight stator pole groups alternately belong to a total of twelve stator pole group pairs. If the 3rd, 5th and, for example, the 9th harmonics are to be suppressed in torque, then the two stator pole groups in each of four pairs of stator pole groups become 20 ° (α = 180 ° / 9 = 20 °), in four pairs of stator pole groups two stator pole groups by 36 ° and in four stator pole group pairs, the two stator pole groups are each electrically shifted by 60 °.
In Fig. 8-12 ist eine zweite Möglichkeit der Reduzierung des Oberwellengehalts in der unkompensierten Unipolar- Transversalflußmaschine gemäß Fig. 1 illustriert. Hier erfolgt keine symmetrische Verschiebung von Statorpolgruppen, sondern eine unsymmetrische Verschiebung von einzelnen Statorpol-Paaren, die jeweils einen Magnetkreis bilden. Diese Art der Verschiebung der Statorpole 24, 25 erfordert eine Anzahl von Statorpolen 24, 25 die lediglich geradzahlig ist und nicht der Bedingung 2n, mit n als ganze Zahl, genügen muß. So kann beispielsweise eine Oberwellenreduzierung im Drehmoment einer 50-poligen oder 36-poligen Unipolar- Transversalflußmaschine erreicht werden. Außerdem werden bei dieser Art der Kompensierung die gewünschten Harmonischen nicht vollständig unterdrückt, sondern lassen sich auf eine gewünschte, im Gesamtdrehmoment nicht mehr merkbare Größe reduzieren. Ebenso kann man die unvermeidlich mit der Oberwellenkompensation einhergehende Absenkung der Grundschwingungsamplitude auf einen gewünschten Wert begrenzen. A second possibility of reducing the harmonic content in the uncompensated unipolar transverse flux machine according to FIG. 1 is illustrated in FIGS. 8-12. Here there is no symmetrical displacement of stator pole groups, but an asymmetrical displacement of individual stator pole pairs, each of which forms a magnetic circuit. This type of displacement of the stator poles 24 , 25 requires a number of stator poles 24 , 25 which is only an even number and does not have to satisfy the condition 2 n , with n as an integer. For example, harmonic reduction in the torque of a 50-pin or 36-pin unipolar transverse flux machine can be achieved. In addition, with this type of compensation, the desired harmonics are not completely suppressed, but can be reduced to a desired size that is no longer noticeable in the overall torque. Likewise, the inevitable lowering of the fundamental vibration amplitude associated with harmonic compensation can be limited to a desired value.
Zur Erläuterung der unsymmetrischen Verschiebung der
Statorpolpaare ist in Fig. 8 wiederum eine Moduleinheit mit
zweiunddreißig Statorpolen 24, 25 schematisch dargestellt,
bei welcher alle Statorpole 24, 25 symmetrisch um eine
Polteilung τ zueinander versetzt angeordnet sind. Jeweils ein
Statorpol 24 und ein Statorpol 25 bilden ein Statorpolpaar
135. Zur Reduzierung einer oder mehrerer gewünschter
Harmonischen im Drehmoment der unkompensierten Maschine wird
ein Statorpolpaar oder werden mehrere Statorpolpaare 135 um
einen elektrischen Winkel β aus ihrer symmetrischen
Polteilung verschoben. Die Größe des Winkels β wird dabei so
berechnet, daß die von dem jeweiligen Statorpolpaar 135
erzeugte Grundschwingung im Drehmoment größer ist als ein
vorgegebener Oberwert und die auf die ausgewählten
Oberschwingungen zurückgehenden Drehmomentanteile einen
vorgegebenen Oberwert nicht übersteigen. Die Obergrenzen sind
dabei beispielsweise so festgelegt, daß die Amplitude der
Oberschwingungen oder Harmonischen weniger als 3% der
Grundschwingungsamplitude bei unkompensierter Maschine
beträgt und außerdem die Grundschwingungsamplitude nicht
kleiner als 90% der Grundschwingungsamplitude bei der
unkompensierten Maschine ist. Bei der Berechnung der
Drehmomente für die einzelnen, um verschiedene Winkel β
verschobenen Statorpolpaare 35 gibt es eine Vielzahl von
Lösungen, die der Formel aus der dem Kombinatorik
To explain the asymmetrical displacement of the stator pole pairs, a module unit with thirty-two stator poles 24 , 25 is shown schematically in FIG. 8, in which all stator poles 24 , 25 are arranged symmetrically offset from one another by a pole pitch τ. A stator pole 24 and a stator pole 25 each form a stator pole pair 135 . To reduce one or more desired harmonics in the torque of the uncompensated machine, one or more stator pole pairs 135 are shifted from their symmetrical pole pitch by an electrical angle β. The size of the angle β is calculated so that the fundamental vibration generated by the respective stator pole pair 135 is greater in torque than a predetermined upper value and the torque components due to the selected harmonics do not exceed a predetermined upper value. The upper limits are set, for example, so that the amplitude of the harmonics or harmonics is less than 3% of the fundamental oscillation amplitude in the case of an uncompensated machine and, moreover, the fundamental oscillation amplitude is not less than 90% of the fundamental oscillation amplitude in the uncompensated machine. When calculating the torques for the individual stator pole pairs 35 shifted by different angles β, there are a large number of solutions which are based on the formula from the combinatorics
genügen, wobei NP die Zahl der Statorpole 24, 25 und NW die Zahl der möglichen Winkelstellungen ist. Aus dieser Zahl Nges der möglichen Lösungen filtert man diejenigen Lösungen heraus, die den vorstehend genannten Obergrenzen genügen, also eine mindestens 90%ige Grundschwingungsamplitude bei gleichzeitiger Reduzierung der Amplituden der Harmonischen, vorzugsweise der 3. und 5. Harmonischen, auf unter 3% bewirken.are sufficient, where NP is the number of stator poles 24 , 25 and N W is the number of possible angular positions. From this number N tot of the possible solutions, those solutions are filtered out which satisfy the above-mentioned upper limits, that is to say cause an at least 90% fundamental oscillation amplitude while simultaneously reducing the amplitudes of the harmonics, preferably the 3rd and 5th harmonics, to below 3% ,
In dem in Fig. 8-12 illustrierten Ausführungsbeispiel einer 32-poligen Unipolar-Transversalflußmaschine ist eine dieser möglichen Lösungen: ein Verschiebungswinkel β = 0° elektrisch für sieben Statorpolpaare 135, β = 36° elektrisch für fünf Statorpolpaare 135 und β = 60° elektrisch für vier Statorpolpaare 135. Diese Verschiebung der Statorpolpaare 135 gegenüber der gleichmäßigen Polteilung τ ist in Fig. 9 angegeben. Danach werden die in der Reihenfolge ersten sieben Statorpolpaare 135 nicht verschoben, behalten also ihre symmetrische Lage wie bei der unkompensierten Maschine bei, die nächsten fünf Statorpolpaare 135 um 36° elektrisch gegenüber der symmetrischen Polteilung τ und die folgenden vier Statorpolpaare um 60° elektrisch gegenüber der symmetrischen Polteilung τ verschoben. Den aufsummierten Drehmomentverlauf der sieben unverschobenen Statorpolpare 135 zeigt Kurve g im Diagramm der Fig. 10, den aufsummierten Drehmomentverlauf der fünf um 36° elektrisch verschobenen Statorpolpaare 135 Kurve h und den aufsummierten Drehmomentverlauf der vier um 60° elektrisch verschobenen Statorpolpaare 135 Kurve i. Das resultierende Drehmoment der Moduleinheit gibt die Kurve k in Fig. 11 wieder. Zum Vergleich ist in Fig. 11 der Drehmomentverlauf der unkompensierten Moduleinheit mit Kurve f eingezeichnet. Wiederum ist zu sehen, daß der Drehmomentverlauf sehr viel stärker der Sinusform angeglichen ist. Das Amplitufdenspektrum des Drehmoments in Fig. 12 zeigt, daß die Amplituden der 3. und 5. Harmonischen sehr viel kleiner sind, als bei der unkompensierten Maschine (vgl. Fig. 7) und weniger als 3% der unkompensierten Grundschwingungsamplitude betragen. Dabei ist die Amplitude des Drehmoments nicht unter 90% der Amplitude des Drehmoments der unkompensierten Maschine abgefallen.In the exemplary embodiment of a 32-pole unipolar transverse flux machine illustrated in FIGS. 8-12, one of these possible solutions is: a displacement angle β = 0 ° electrical for seven stator pole pairs 135 , β = 36 ° electrical for five stator pole pairs 135 and β = 60 ° electrical for four stator pole pairs 135 . This shift of the stator pole pairs 135 with respect to the uniform pole pitch τ is indicated in FIG. 9. Thereafter, the first seven stator pole pairs 135 in the order are not shifted, i.e. they maintain their symmetrical position as in the uncompensated machine, the next five stator pole pairs 135 electrically by 36 ° with respect to the symmetrical pole pitch τ and the following four stator pole pairs electrically by 60 ° with respect to the symmetrical pole pitch τ shifted. Curve g in the diagram of FIG. 10 shows the total torque curve of the seven undisplaced stator pole pairs 135 , the summed torque curve of the five stator pole pairs 135 electrically shifted by 36 °, curve h and the total torque curve of the four stator pole pairs 135 curve i electrically shifted by 60 °. The resulting torque of the module unit shows the curve k in FIG. 11. For comparison, the torque curve of the uncompensated module unit with curve f is shown in FIG . Again it can be seen that the torque curve is much more closely matched to the sinusoidal shape. The amplitude spectrum of the torque in FIG. 12 shows that the amplitudes of the 3rd and 5th harmonics are much smaller than in the uncompensated machine (cf. FIG. 7) and are less than 3% of the uncompensated fundamental oscillation amplitude. The amplitude of the torque has not dropped below 90% of the amplitude of the torque of the uncompensated machine.
Auch hier kann die im Drehmoment der Moduleinheit noch vorhandene 2. Harmonische (Fig. 12) unbeachtet bleiben, weil die 2. Harmonische, wie vorstehend bereits ausgeführt, durch die zweite Moduleinheit mit ihrer 90°-Verschiebung weitgehend kompensiert wird.The second harmonic ( FIG. 12) still present in the torque of the module unit can also be disregarded here, because the second harmonic, as already explained above, is largely compensated for by the second module unit with its 90 ° shift.
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